二维半导体材料因其优异的光学、电学和力学性质在未来电子、光电子及柔性电子等器件领域具有极大的应用前景。与目前人们关注较多的2H结构二维原子晶体材料（如：MoS₂, WS₂和MoSe₂等）相比，1T’结构的二维原子晶体材料（如：ReS₂, ReSe₂和MoTe₂等）因其与众不同的结构特征而表现出更加丰富多彩的性质。作为1T'结构二维原子晶体材料的典型代表，ReS₂的低对称性晶格结构赋予了其众多优异的性质，如：面内各向异性光学和电学性质，层间去偶合作用，非层数依赖的直接带隙等性质，这些优异的性质使ReS₂有望应用于构筑未来的新型电子器件。然而，这种低对称晶格结构也给ReS₂材料的制备带来了一系列的问题和挑战，如：ReS₂在生长过程中存在三维生长、枝状生长、形貌多样化、层数不可控、大量的晶界和高的缺陷浓度等问题。因此，如何实现大面积、高质量二维ReS₂晶体的可控制备是其基础研究和走向应用所要解决的首要问题。

近年来，陕西师范大学材料科学与工程学院徐华副教授在二维原子晶体Re系半导体材料的可控制备和性质研究领域取得了一系列研究成果。在利用化学气相沉积制备二维ReS₂材料时，金属铼作为Re源存在熔点高（3180 ℃）、难挥发的问题，使得材料生长效率极低，难以实现大面积ReS2材料的高效合成。针对这一问题，课题组提出了二元低共熔体辅助生长方法，巧妙地利用Te-Re合金化使Re源的熔点从3180 ℃降低到430℃，大大降低了材料的生长温度且提高了体系中Re源的蒸气压，从而实现了在低温下高效生长大面积单层ReS2材料，相关结果发表在Advanced Materials, 2016, 28, 5019–5024。之后，他们针对铼系二维半导体材料制备中存在的铼源价态多变、易于发生各向异性生长和面外生长，形貌和层数不可控等问题，提出了空间限域生长与外延生长结合的方法，分别实现了大面积单层ReS2和ReSe2的可控制备。在此基础上，作者通过构筑晶体管器件深入研究了这类材料的电学和光电性质，结果显示ReS2和ReSe2两种材料具有优异的电学、光电响应和各向异性性质，特别是这两个材料的导电属性完全相反，ReS₂为n型半导体，ReSe2为p型半导体。相关结果均已发表(Nanoscale, 2016, 8, 18956-18962; Nano Research, 2017,10, 2732–2742)。

图1、单层ReS_2xSe_2(1-x)合金的生长示意图及单层ReS_2xSe_2(1-x)光学、AFM、XPS及元素mapping表征。

最近，徐华副教授课题组与西北工业大学冯晴亮副教授和华中科技大学翟天佑教授课题组合作，采用自下而上的CVD生长方法，以ReO₃、S粉和Se粉为前驱体，首次成功制备了具有一系列不同组份的单层1T' ReS_2xSe_2(1-x)半导体合金材料。通过精确控制生长条件，实现了合金的带隙从1.32 eV（ReSe₂）到1.62 eV（ReS₂）的连续调节。利用扫描透射电子显微镜对不同组份ReS_2xSe_2(1-x)合金进行原子成像，作者首次发现在ReS_2xSe_2(1-x)合金晶格结构中存在一种非常有趣的原子局域分布规律，其中S和Se原子在每个Re-X₆八面体晶胞中的不同X位置发生选择性站位，并且这种选择性站位与它们的原子半径和每个X位置的空间大小密切相关。这种亚纳米尺度的原子局域分布有望在二维材料表面诱导产生表面局域电子态，这一发现对未来开发二维材料新的性质和应用具有重要意义。作者将不同组份的ReS_2xSe_2(1-x)合金制备成场效应晶体管器件，系统研究了其电学性质与组份间的关系，首次利用这类合金材料实现了其电学属性从n型、到双极型，再到p型的连续可调。此外，角分辨拉曼光谱和电学测量研究发现单层1T' ReS_2xSe_2(1-x)合金亦可表现出优异的各向异性光学，电学和光电特性。这种兼具有带隙和电学属性可调及各向异性特性的单层ReS_2xSe_2(1-x)合金的可控制备为设计未来的多功能二维光电子器件提供了可行性。

图2. 单层ReS_2xSe_2(1-x)合金的高分辨原子像及其“亚纳米尺度局域原子分布”结构特征。

以上成果发表在近期的Advanced Materials（DOI:10.1002/adma.201705015）上，论文的第一作者是陕西师范大学硕士研究生崔芳芳，西北工业大学冯晴亮副教授为论文的共同第一作者，陕西师范大学徐华副教授和华中科技大学翟天佑教授为该工作的共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金(51502167, 91622117, 11634010)，陕西师范大学中央高校基础研究基金(GK201502003)，陕西师范大学青年骨干和学术新秀基金(16QNGG011)和西北工业大学中央高校基础研究基金(3102016QD071)的大力支持。

该论文作者为：Fangfang Cui, Qingliang Feng, Jinhua Hong, Renyan Wang, Yu Bai, Xiaobo Li, Dongyan Liu, Yu Zhou, Xing Liang, Xuexia He, Zhongyue Zhang, Shengzhong Liu, Zhibin Lei, Zonghuai Liu, Tianyou Zhai, and Hua Xu

Synthesis of Large-Size 1T' ReS2xSe2(1-x) Alloy Monolayer with Tunable Bandgap and Carrier Type

Adv Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201705015

导师介绍：

徐华 http://clxy.snnu.edu.cn/home/showjs/406

翟天佑 http://zml.mat.hust.edu.cn/

冯晴亮 http://teacher.nwpu.edu.cn/2016010143.html